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安全壳内非能动氢气复合器热驱动效应研究

摘要

当核电站发生严重事故后，堆芯过热的锆包壳会与水蒸气发生剧烈的锆水

反应，产生大量的氢气，给安全壳完整性造成威胁。非能动氢气复合器（PAR）

是广泛应用于压水堆核电厂消除严重事故后安全壳内氢气风险的主要设备之一，

其主要工作过程为将氢气与氧气在催化板处发生化学反应复合为水，同时还会

产生大量的热，其内部催化板温度可达550~600℃，复合器出口位置存在较高

的温度，会对一定范围内的仪表、设备造成损伤。此外，非能动氢气复合器产

生的高温气体汇聚而形成的羽流，会驱动隔间内的气体向上流动，促进隔间内-

外大气的自然循环，从而影响事故后安全壳内的流场和气体浓度分布。

本文针对非能动氢气复合器的热驱动效应进行了热影响范围与空气驱动效

应两方面研究。通过对非能动氢气复合器整体进行模化设计，内部使用翅片电

加热棒采取1×9叉排排列布置替代复合催化板作为热源，外部几何结构采取现

有实验装置参考并以自然环流高度计算模化，设计出复合器模拟体实验装置，

将该实验装置放置于安全壳模拟体内，进行模拟装置体对壳内气体的热驱动实

验研究。实验分为两大类，一类为模拟装置体对大尺度空间范围内的热影响范

围实验；第二类为模拟装置体对隔间之间与大空间的空气驱动效应实验。热影

响范围中对于产热量的实验研究，非能动氢气复合器模拟体设计了8kw、16kw、

23kw三级电加热功率。空气驱动中对于不同出口数量对非能动氢气复合器出口

环流的影响，在实验装置上部设计三面出口与仅正面出口两类出口工况。对于

不同安装高度的非能动氢气复合器对隔间内气体的驱动环流影响，在非能动氢

气复合器模拟体周围进行围挡隔间设计，将非能动氢气复合器模拟体的距离操

作平台高度，进行0.33m与1.5m的设置。隔间围挡进行0m、1m、2m三个

高度位置的开口，模拟隔间与隔间、隔间与大空间的连通位置，进一步研究非

能动氢气复合器对隔间-大空间的空气驱动能力，同时为后续非能动氢气复合器

的设计和布置提供参考。

分析结果表明，氢气复合器开口数量增加可以有效减轻单一开口的热流强

度，新增一倍的开口面积，可使出口面温度降低25%~40%。非能动氢气复合器

在不同产热工况下，出口风速随高度变化均为先增加后减小，其热驱动风速在

出口位置上方一段高度存在一个最大值，且最大值热驱动风速位置与出口温度

相关。氢气复合器模拟体在隔间内产热会将外部气体由外向内卷吸进入隔间，

哈尔滨工程大学工学硕士毕业论文

其空气驱动力与隔间-大空间连通口位置有关。连通口平行氢气复合器模拟体出

口高度时具有更大的空气驱动力。连通口高于氢气复合器模拟体出口高度会导

致其出口热流的速度方向提前转变为竖直向上，使隔间范围内氢气复合器模拟

体正上方的设备更易造成热损坏。氢气复合器安装在隔间高点位时，其内部热

辐射会对复合器入口区域范围产生一定热影响且会增大出口区域的热影响范围。

关键词：非能动氢气复合器；模化设计；热影响；空气驱动；实验研究

安全壳内非能动氢气复合器热驱动效应研究

Abstract

Intheeventofaseriousaccidentatanuclearpowerplant,thesuperheatedzircon

shellinthecorewillreactviolentlywithwatervaportoproducealargeamountof

hydrogen,whichposesathreattotheintegrityofthecontainment.Passivehydrogen

recombiner(PAR)isoneofthemainequipmentwidelyusedinpressurizedwaterreactor

nuclearpowerplanttoeliminatetheriskofhydrogeninthecontainmentafterserious

accidents.Itsmainworkingprocessistoc